[論文レビュー] Force Plate Monitoring of Human Hemodynamics

Kriz, J., P. Šeba|ArXiv.org|Jul 18, 2005

Cardiovascular Health and Disease Prevention参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、心拍活動および脈波伝播によって引き起こされる身体の微小な動きを検出することで、力板測定を用いた非侵襲的血行動態モニタリング手法を提案する。6次元の力およびモーメント信号曲線の最初のカルタン曲率を分析することにより、弁閉鎖や血液射出などの主要な心拍イベントをミリ秒単位の高精度で特定する。この手法は侵襲的カテーテル検査データと一致し、放射線やイオン化放射線を用いず、リアルタイムでオンラインで血行動態ダイナミクスをモニタリング可能である。

ABSTRACT

We show that the recoils of the body caused by cardiac motion and blood circulation provide a noninvasive method capable to display the motions of the heart muscle and the propagation of the pulse wave along aorta and its branches. The results are compared with the data obtained invasively during a heart catheterization. We show that the described noninvasive method is able to determine the moment of a particular heart movement or the time when the pulse wave reaches certain morphological structure.

研究の動機と目的

• 心拍活動によって引き起こされる身体の微小な動きを用いて、内部の血行動態プロセスを非侵襲的にモニタリングする手法を開発すること。
• 力板測定を用いて、弁閉鎖や脈波伝播などの主要な心拍イベントを特定および局在化すること。
• 侵襲的カテーテル検査データと比較して、本手法の妥当性と臨床的意義を検証すること。
• 体位や患者の姿勢にかかわらず、幾何学的不変量が血行動態イベントを検出するのにどれほど頑健であるかを示すこと。
• 力板と心電図のみを用いて、心機能のリアルタイムでオンラインのモニタリングが可能であるかを確立すること。

提案手法

• 本研究では、安静な背臥位および仰臥位の状態で、1 kHzのサンプリングレートで6成分の力およびモーメント（Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz）を測定するためにBertec力板（モデル4060A）を用いる。
• 6成分の力・モーメントと心電図信号を組み合わせることで、7次元の時系列が形成され、空間内に6次元の信号曲線が得られる。
• 信号曲線の幾何学的不変量をカルタン曲率、特に回転、平行移動、再パrametrizationに対して不変である最初の曲率κ₁(t)を用いて分析する。
• フレネ・セレの形式を適用して、信号曲線に沿った特徴的なフレームと曲率を定義し、血行動態イベントに関連する急激な変化の検出を可能にする。
• 本手法は、機械的イベント（例：動脈分岐部での脈波の散乱）が信号曲線の幾何学的形状を変化させることに依拠しており、これにより曲率の変化として検出可能である。
• 分析は主に最初のカルタン曲率に焦点を当てており、ノイズに対して頑健で、弁イベントや心室充満期などの血行動態タイミングマーカーを効果的に捉えている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 力板測定は、大動脈弁閉鎖や僧帽弁開口のタイミングを、高い時間分解能で検出可能か？
• RQ2 信号曲線の幾何学的不変量は、体位が異なる場合でも安定しているか。外部の摂動に対して頑健であると示せるか？
• RQ3 最初のカルタン曲率は、大動脈弓や腹腔動脈などの解剖学的ランドマークにおける脈波到達時刻を、侵襲的カテーテル検査データと比較してどれほど正確に特定できるか？
• RQ4 同じ被験者における複数心拍にわたる曲率パターンは、時間経過とともに再現可能か？
• RQ5 本手法は、心房収縮や急速な心室充満期に起因する微細な血行動態変化を、侵襲的処置を要せず検出可能か？

主な発見

• 最初のカルタン曲率κ₁(t)は、第一および第二心音を含む主要な心拍イベントのタイミングを一貫して特定でき、心電図のR波からの時間遅延が安定している。
• R波と大動脈根部への血液射出に対応する曲率ピークとの平均時間遅延は80 msであり、25名の被験者で標準偏差8 msであった。
• 曲率パターンは時間経過にわたって安定している：3か月後に再測定した被験者では、ピークタイミングに有意なシフトは認められず、高い再現性が示された。
• 本手法は体位に依存しない：被験者が背中を向けた状態でもお腹を向けた状態でも、曲率ピークの位置は変化しなかった。幾何学的特徴の不変性が確認された。
• 急速な心室収縮および心房収縮に起因する曲率ピークは明確に観察され、心室圧力の微分と相関していた。これにより、生理的起源が裏付けられた。
• 本手法により、脈波伝播や心臓内の機械的イベントを含む血行動態プロセスの、リアルタイムで非侵襲的なモニタリングが可能であり、侵襲的カテーテル検査と同等の精度を示した。